张佳菲等：基于快速叶绿素荧光技术的油菜冠层生化参数垂直异质性分析（2021年第1期）

引用格式：张佳菲, 万亮, 何勇, 岑海燕. 基于快速叶绿素荧光技术的油菜冠层生化参数垂直异质性分析[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3 (1): 40-50.ZHANG Jiafei, WAN Liang, HE Yong, CEN Haiyan. Vertical heterogeneity analysis of biochemical parameters in oilseed rape canopy based on fast chlorophyll fluorescence technology[J]. Smart Agriculture, 2021, 3 (1): 40-50. 

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基于快速叶绿素荧光技术的油菜冠层生化参数垂直异质性分析

张佳菲1，2， 万亮1，2， 何勇1，2，3， 岑海燕1，2，3*
（1.浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州 310058；2.农业农村部光谱检测重点实验室，浙江杭州 310058；3.浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州 310027）

摘要：准确获取作物冠层生化信息对监测作物生长和指导精准施肥具有重要意义。现有的作物生化参数的垂直分布研究以高光谱遥感反演为主，缺乏与光合生理的联系。本研究主要探究了不同氮素处理水平下油菜苗期冠层内的叶绿素、类胡萝卜素、干物质和水分等生化参数的垂直分布变化特性，同时利用快速叶绿素荧光技术测定了叶片的光合性能，并通过线性回归分析和主成分分析进一步剖析了荧光响应与生化参数的内在联系。试验结果表明：（1）苗期中期油菜冠层的叶绿素含量、类胡萝卜素含量、干物质和水分含量均呈抛物线型的非均匀垂直分布，而叶绿素与类胡萝卜素的比值具有与其他生化参数不同的垂直分布模式，其随着叶位升高和施氮量的增加逐渐下降，与推动力DFTotal、电子链末端量子产额φRo等荧光参数的垂直分布模式相同；（2）荧光参数，特别是DFTotal，对油菜叶片叶绿素与类胡萝卜的比值、叶绿素和干物质含量具有较强的评估能力；（3）缺氮会降低苗期油菜叶片的光系统I和II（PSI和PSII）性能，通过最大光化学效率φPo等荧光参数可对氮素胁迫进行诊断；而不同叶位叶片在PSI性能即电子末端传递效率上具有显著差异，通过DFTotal可有效表征冠层生化参数的垂直异质性。上述结果表明，应用快速叶绿素荧光技术对作物进行生化信息的垂直异质性监测具有可行性，可为指导精准施肥和提高优质优产提供新思路和技术支撑。

关键词：快速叶绿素荧光；JIP-测定；垂直异质性；叶绿素；类胡萝卜素；氮素

文章图片

注：同一叶位的相同字母表示不同氮素处理在0.05水平上无显著差异（P ≥ 0.05，LSD检验）图1 3种氮素处理（缺氮N0、正常施氮N1、过量施氮N2）下油菜苗期中期各叶位（L1~L7）叶片的生化参数变化Fig. 1 The variations of biochemical parameters of oilseed rape leaves in the different positions（L1－L7）under three nitrogen treatments（no N—N0，normal N－N1，and excessive N－N2）at the middle seedling stage
图2 3种氮素处理下油菜苗期各叶位叶片的JIP-测定参数变化雷达图Fig. 2 Radar plot of important JIP-test parameters of rape leaves in the different leaf positions under three nitrogen treatments
注：n = 7×9；*，P < 0.05；**，P < 0.01图3 JIP-测定参数与生化参数关系热图Fig. 3 Heat map representation of correlations between JIP-test parameters and biochemical characteristics

注：****，P < 0.0001图4 JIP-测定参数与生化参数的回归分析结果Fig. 4 Linear regressions between JIP-test parameters and biophysical characteristics
图5 基于主成分分析的3种氮素处理下油菜苗期各叶位叶片JIP-测定参数的响应变化Fig. 5 Response of JIP-test parameters of rape leaves in the different leaf positions under three nitrogen treatments based on PCA

来源：《智慧农业（中英文）》2021年第1期

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通讯作者简介

岑海燕  研究员岑海燕，浙江大学生物系统工程与食品科学学院研究员，副系主任，博士生导师。现担任《智慧农业（中英文）》期刊青年编委，美国农业生物工程师学会（ASABE）机器视觉分会主席，海外华人农业生物与食品工程师协会 （AOCBFE）Board Member等。主要从事农作物光学成像与智能传感技术及装备、高通量植物表型技术、无人机低空遥感、作物及农产品组织光学等方面的研究，形成了“植物组织光学成像机理—光学成像技术与装备—图谱解析—植物表型分析应用”的特色研究思路，通过植物表型光学成像与感知多学科交叉，聚焦探究光与植物组织的相互作用机制，构建植物表型信息快速精准获取的光学传感方法与装备。目前已在农业、光学工程、分析化学等领域的国际著名学术期刊及会议发表学术论文60余篇，论文他引600余篇次，参编学术著作5部，授权专利13项，承担多项国家级及省部级科研项目。

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